El Impacto de la Humedad en el Proceso de Fabricación de Baterías de Litio
Introducción
En el proceso de fabricación de baterías de iones de litio, existen tres factores cruciales que deben controlarse estrictamente: el polvo, las partículas metálicas y la humedad.
La falta de control adecuado del polvo y las partículas metálicas puede llevar directamente a incidentes de seguridad como cortocircuitos internos, incendios y combustión en las baterías. Del mismo modo, si no se controla adecuadamente la humedad, también puede representar un riesgo significativo para el rendimiento de la batería, lo que resulta en problemas graves de calidad.
Por lo tanto, es de suma importancia mantener un estricto control del contenido de agua en materiales clave como electrodos, separadores y electrolitos durante el proceso de fabricación, sin margen para relajaciones.
A continuación, se proporcionará una explicación detallada desde tres perspectivas: el impacto de la humedad en las baterías de litio, las fuentes de humedad en el proceso de fabricación y el control de la humedad durante el proceso de fabricación.
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1. El Impacto de la Humedad en las Baterías de Litio
1.1 Inflado y Fugas de la Batería
Un exceso de contenido de humedad en las baterías de iones de litio puede llevar a una reacción química con la sal de litio en el electrolito, lo que resulta en la formación de HF (ácido fluorhídrico):
H2O + LiPF6 → POF3 + LiF + 2HF
El ácido fluorhídrico (HF) es un ácido altamente corrosivo que puede dañar gravemente el rendimiento de la batería:
– El HF puede corroer componentes metálicos internos, la carcasa de la batería y las juntas, lo que finalmente provoca que la batería se rompa y tenga fugas.
– El HF también puede deteriorar la película de la Interfaz Sólida-Electrolito (SEI) dentro de la batería, reaccionando con los componentes principales de la película SEI:
ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF
Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF
Finalmente, la formación de un precipitado de LiF dentro de la batería provoca reacciones químicas irreversibles en el electrodo negativo, consumiendo iones de litio activos y reduciendo la energía de la batería.
Cuando la humedad es abundante, la generación de gas aumenta, lo que provoca un aumento en la presión interna de la batería. Esto, a su vez, ocasiona tensiones mecánicas en la batería, dando lugar a peligrosos casos de inflado y fuga de la batería.
La mayoría de los casos de inflado de batería que hacen que las tapas de dispositivos se abran en teléfonos móviles o productos electrónicos digitales en el mercado se deben a los altos niveles de humedad en el interior de las baterías de litio, lo que resulta en la producción de gas y expansión.
1.2 Aumento de la Resistencia Interna de la Batería
La resistencia interna es uno de los parámetros de rendimiento más críticos de una batería. Sirve como un indicador principal de la facilidad o dificultad con la que los iones y electrones se desplazan dentro de la batería, lo que impacta directamente en la vida útil de la batería y su estado operativo.
Cuanto menor sea la resistencia interna, menos voltaje se consume durante la descarga de la batería, lo que resulta en una mayor producción de energía.
A medida que aumenta el contenido de agua, se produce la formación de precipitados de POF3 y LiF en la superficie de la película de la Interfaz Sólida-Electrolito (SEI) en la batería. Esto perturba la densidad y uniformidad de la película SEI, lo que provoca un aumento gradual de la resistencia interna de la batería. Como resultado, la capacidad de descarga de la batería continúa disminuyendo.
1.3 Acortamiento de la Vida Útil en Ciclos
Un exceso de contenido de humedad daña la película de la Interfaz Sólida-Electrolito (SEI) de la batería, lo que conlleva a un aumento gradual de la resistencia interna.
Como resultado, la capacidad de descarga de la batería disminuye con el tiempo, y con cada carga completa, el tiempo de uso de la batería se acorta.
Naturalmente, la cantidad de ciclos de carga y descarga que la batería puede soportar (vida útil en ciclos) disminuye, acortando en última instancia la vida útil general de la batería.
2. Origen de la Humedad en el Proceso de Producción de Baterías de Litio
El proceso de producción de las baterías de iones de litio generalmente sigue los pasos que se detallan a continuación:
Durante el proceso de fabricación de baterías de iones de litio, las fuentes de humedad se pueden categorizar de la siguiente manera:
2.1 Humedad Introducida por Materias Primas
2.1.1 Materiales de Electrodos Positivos y Negativos:
Los materiales activos de los electrodos positivos y negativos consisten en partículas a nivel micrométrico y nanométrico, lo que los hace altamente susceptibles a la absorción de humedad del aire.
Esto es especialmente cierto para los materiales de electrodos positivos ternarios o binarios con alto contenido de níquel (Ni), que tienen una gran área superficial y absorben fácilmente la humedad, lo que provoca reacciones químicas. Después de la aplicación de recubrimiento, si el entorno de almacenamiento tiene una alta humedad, el recubrimiento de la superficie del electrodo puede absorber rápidamente la humedad del aire.
2.1.2 Electrolito:
Los componentes solventes en el electrolito experimentan reacciones químicas con las moléculas de agua.
Las sales de litio soluto en el electrolito también tienden a absorber la humedad y reaccionar químicamente.
Por lo tanto, el electrolito contiene una cierta cantidad de humedad. Si el electrolito se almacena durante un período prolongado o se somete a altas temperaturas de almacenamiento, el contenido de humedad dentro del electrolito puede aumentar.
2.1.3 Separador:
El separador es una película de plástico porosa (material PP/PE) y también muestra una significativa absorción de humedad.
2.2 Humedad Introducida durante la Preparación de la Suspensión del Electrodo
Durante la preparación de la suspensión para el electrodo negativo, se agrega agua y se mezcla con las materias primas antes del recubrimiento, lo que significa que el electrodo negativo en sí contiene humedad.
Aunque hay calentamiento y secado durante el proceso de recubrimiento posterior, una parte significativa de la humedad permanece adsorbida en el recubrimiento del electrodo.
2.3 Humedad en el Ambiente del Taller
2.3.1 Humedad en el Aire del Taller
El contenido de humedad en el aire se mide generalmente mediante la humedad relativa.
La humedad relativa varía significativamente con las diferentes estaciones y condiciones climáticas. La primavera y el verano suelen tener una mayor humedad en el aire (por encima del 60%), mientras que el otoño y el invierno son más secos, con una humedad más baja (por debajo del 40%).
La humedad es mayor en los días lluviosos y menor en los días soleados.
Por lo tanto, diferentes niveles de humedad del aire resultan en diferentes niveles de humedad en el ambiente.
Humedad relativa | Contenido de humedad /ppm | Peso del agua g/m3 |
1% | 245 | 0.3 |
2% | 512 | 0.6 |
10% | 2461 | 3.1 |
15% | 2697 | 4.6 |
20% | 4935 | 6.2 |
25% | 6176 | 7.7 |
30% | 7421 | 9.3 |
49% | 12120 | 15.2 |
82% | 20307 | 23.5 |
2.3.2 Humedad Producida por los Seres Humanos
Esto incluye el sudor del cuerpo humano, el aliento exhalado y la humedad de lavarse las manos.
2.3.3 Humedad Introducida por Diversos Materiales Auxiliares y Papel
Ejemplos incluyen la humedad introducida por materiales como cajas de papel, tela triturada.
3. Control de la Humedad en el Proceso de Producción de Baterías de Litio
3.1 Control Estricto de la Humedad en el Taller
3.1.1 Mezcla de suspensión en el taller de producción de electrodos, humedad relativa ≤ 10%.
3.1.2 Recubrimiento en el taller de producción de electrodos (cabeza y cola), punto de rocío del rodillo ≤ -10°C DP.
3.1.3 Corte en el taller de producción de electrodos, humedad relativa ≤ 10%.
3.1.4 Apilamiento, enrollado, taller de ensamblaje, punto de rocío ≤ -35°C DP.
3.1.5 Llenado de celdas, sellado, punto de rocío ≤ -45°C DP.
3.2 Control Riguroso de la Humedad Introducida por el Cuerpo Humano y Fuentes Externas
3.2.1 Cumplimiento de Procedimientos de Trabajo
- El acceso a la sala de secado requiere el uso de ropa especial, sombrero, cambio de calzado y el uso de una mascarilla.
- Queda estrictamente prohibido el contacto directo con electrodos y celdas con las manos desnudas.
3.2.2 Gestión de la Humedad Introducida por Materiales Auxiliares
- Está estrictamente prohibido introducir cajas de papel en la sala de secado.
- Los carteles y letreros de papel dentro de la sala de secado deben estar sellados en plástico.
- Queda prohibido el uso de agua para limpiar el suelo dentro de la sala de secado.
3.3 Control Riguroso del Almacenamiento y el Tiempo de Exposición de los Electrodos
3.3.1 Gestión del Almacenamiento a Baja Humedad:
- Los electrodos después de ser laminados y cortados deben ser almacenados en un entorno de baja humedad (≤ -35°C DP) en un plazo de 30 minutos.
- Los electrodos que han sido horneados pero no se utilizan de inmediato para laminación, enrollado o encapsulación deben ser sellados al vacío (≤ -95 kPa).
3.3.2 Gestión del Tiempo de Exposición:
- Después de hornear los electrodos, la laminación, el enrollado, el sellado, el llenado de celdas y el sellado deben completarse en un plazo de 72 horas (humedad de punto de rocío del taller ≤ -35°C).
3.3.3 Gestión de Primero en Entrar, Primero en Salir (PEPS):
- La utilización de electrodos debe cumplir con el principio de primero en entrar, primero en salir, lo que significa que los lotes deben utilizarse en el orden en que fueron horneados.
3.4 Control Riguroso de los Procesos de Horneado de Electrodos y Separadores
3.4.1 Los electrodos y los separadores deben ser horneados antes de su uso.
3.4.2 Si los electrodos y separadores no pueden ser horneados antes de la laminación o el enrollado, las celdas deben ser horneadas antes de su llenado.
3.4.3 Durante el proceso de horneado de electrodos o celdas, se debe supervisar rigurosamente los parámetros del horno (temperatura, tiempo, nivel de vacío).
3.4.4 La temperatura del horno y los niveles de vacío deben ser calibrados regularmente para garantizar la precisión.
3.5 Pruebas y Control del Contenido de Humedad
3.5.1 Los electrodos, separadores (o celdas) y electrolitos deben someterse a pruebas de contenido de humedad y cumplir con los criterios especificados antes del llenado.
3.5.2 Método de Prueba: Muestreo según las regulaciones; medir utilizando un medidor de humedad Karl Fischer.
3.5.3 Criterios de Aceptación del Contenido de Humedad:
- Contenido de humedad en los electrodos ≤ 200 ppm (precontrol ≤ 150 ppm).
- Contenido de humedad en los separadores ≤ 600 ppm.
- Contenido de humedad en los electrolitos ≤ 20 ppm.
Conclusión
Para resumir, en el proceso de fabricación de baterías de iones de litio, el control de la humedad en diversas etapas, que incluye la humedad ambiental, el almacenamiento y el tiempo de exposición de los electrodos, los procesos de secado de electrodos y separadores, la vida útil del electrolito y las pruebas de contenido de humedad, es absolutamente esencial.
Una vez que se sale de control, puede dar lugar a defectos fatales en el rendimiento de lotes de baterías, con consecuencias muy graves.
Por lo tanto, ya sea la dirección, los operadores de producción o los inspectores de calidad, es crucial fortalecer la conciencia del control de la humedad en las baterías y cumplir siempre estrictamente con los procesos prescritos para asegurar que la humedad de la batería se mantenga bajo control y en un estado calificado.
